Zeminlerin İyileştirilmesi Mart 2013
Dersin içeriğinin haftalara göre dağılımı 1.hafta 2.hafta 3.hafta 4.hafta 5.hafta 6.hafta 7.hafta 8.hafta 9.hafta 10.hafta 11.hafta 12.hafta 13.hafta 14.hafta Giriş İyileştirme Kavramı Zeminlerin Sıkıştırma Yöntemleri I Zeminlerin Sıkıştırma Yöntemleri II Önceden Yükleme ile Islah Enjeksiyon Yöntemleri I Enjeksiyon Yöntemleri II Isıl İşlemler Zeminin Donatılandırılması I Zeminin Donatılandırılması II Geotekstiller İyileştirme Sonuçlarının Laboratuar Deneyleri ile Kontrolü I İyileştirme Sonuçlarının Arazi Deneyleri ile Kontrolü II İyileştirme Sonuçlarının Jeofizik Deneyleri ile Kontrolü III Kaynaklar 1. Bell, F.G. (1993). Engineering Treatment of Soils, E&FN Spon. 2. Moseley, M.P. (1992). Ground Improvement, Macmillan Publishers New Zealand Ltd.. 3. Impe, V. (1989). Soil Improvement Techniques and Their Evolution, Balkema. 2
İÇİNDEKİLER 1. GİRİŞ... 3 1.1 TARİHTE ZEMİN İYİLEŞTİRMELERİ... 4 2. İYİLEŞTİRME KAVRAMI... 5 2.1 ZEMİN İYİLEŞTİRME NEDENLERİ... 5 2.2 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ... 6 2.3 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN SEÇİMİ... 8 3. ZEMİNLERİN SIKIŞTIRMA YÖNTEMLERİ... 10 3.1 VİBROKOMPAKSİYON/VİBROFLOTASYON... 11 3.2 TİTREŞİMLİ BORU VE ÇUBUKLAR... 13 3.3 KOMPAKSİYON KAZIKLARI... 14 3.4 DİNAMİK KONSOLİDASYON (DİNAMİK KOMPAKSİYON), YÜK DÜŞÜRME... 16 3.5 PATLATMA... 18 4. ÖN YÜKLEME METODU... 20 5. DÜŞEY DRENLER... 22 5.1 DÜŞEY DREN ÇEŞİTLERİ... 23 5.2 DÜŞEY DRENLERİN TASARIMI... 23 6. ENJEKSİYON... 24 6.1 TEMEL ENJEKSİYON UYGULAMALARI VE AMACI... 25 6.2 KOMPAKSİYON ENJEKSİYONU... 29 6.3 JET ENJEKSİYONU... 30 6.3.1 Jet Enjeksiyonunun Avantajları ve Dezavantajları... 31 6.3.2 Jet Enjeksiyonu Yöntemindeki Ön Çalışmalar... 32 6.3.3 Jet Enjeksiyonu Yönteminin Uygulanması... 34 6.3.4 Çalışma Parametreleri... 37 7. ISIL İŞLEMLER... 40 7.1 DONDURMA... 40 7.2 ISITARAK İYİLEŞTİRME... 43 8. DONATILANDIRARAK İYİLEŞTİRME... 45 8.1 MİNİ VEYA MİKRO KAZIKLAR (KÖK KAZIKLAR)... 45 8.2 ZEMİN ÇİVİLERİ... 47 8.3 DONATILI ZEMİN (TOPRAKARME)... 47 8.4 TAŞ KOLONLAR... 50 8.5 DERİN KARIŞTIRMA... 54 9. GEOTEKSTİLLER VEYA GEO SENTETİKLER... 55 10. ZEMİN İYİLEŞTİRMESİNİN KONTROLÜ... 57 10.1 LABORATUVAR DENEY TEKNİKLERİ... 57 10.2 ARAZİDE YERİNDE DENEY TEKNİKLERİ... 58 10.3 JEOFİZİK DENEY TEKNİKLERİ... 59 10.4 DİĞER DEĞERLENDİRMELER... 59 3
1. GİRİŞ Zeminin, yapıların temelleri altında taşıyıcı tabaka ve birçok durumlarda inşaat malzemesi olarak bütün inşaat projelerinde karşımıza çıktığı bilinmektedir. İnşaat sahasında karşılaşılan zeminler her zaman istenilen özelliklere sahip olamamaktadır. Geoteknik mühendisi, arazide zemin özelliklerinin getirdiği sınırlamaları olduğu gibi kabul etmek veya tasarım kriterlerini sağlayacak tarzda bu özellikleri "zemin stabilizasyon yöntemleri" ile ıslah etmek (iyileştirmek) durumundadır. Zemin stabilizasyonu dendiğinde çoğunlukla zeminin kayma mukavemetinin, sıkılığının veya kıvamının iyileştirilmesi anlaşılmaktadır. İnşaat yerinin değiştirilmesi veya istenilen özelliklere sahip olmayan zeminlerin atılarak yerine elverişli zeminlerin kullanılması ise teknolojik ve ekonomik nedenlerden dolayı çoğu kere uygun çözümler olarak kabul edilmemektedir. Bu gibi durumlarda, arazideki zemin tabakalarının özelliklerinin iyileştirilmesi kaçınılmazdır. 1.1 TARİHTE ZEMİN İYİLEŞTİRMELERİ Mühendisliğin inşaat yapımında kullanıldığı ilk günden bu güne kadar mühendisler zeminlerle alakalı çeşitli problemlerle karşılaşmışlar ve bu problemlere çözüm bulmaya çalışmışlardır. Mühendisler mümkün olduğu sürece yapılarını sağlam zeminlere yapmışlar fakat buna imkan olmadığı durumlarda kötü zeminler üzerine de binalar yapılması düşünülmüş ve bu şekilde inşaat yapmanın gerekleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Tarihte eski Venedik kentinde yapılan yapıların, Osmanlılar zamanında deniz kıyısında yapılan Yeni Cami veya Haydarpaşa Tren İstasyonu gibi yapıların, mevcut zemin zayıf olduğu için, ahşap kazıklar üzerine inşa edildiği görülmüştür. Çin de M.Ö. 600 lerde zeminin içine açılan kuyuları sönmemiş kireçle doldurarak, eski Roma da karayolları yapımında killi zeminleri puzzolan ve kireçle stabilize ederek yerel zemini iyileştirmişlerdir. Çoğu zaman zeminin çok kötü olmasından veya ekonomik olmamasından dolayı kazık temeller kullanılamamakta bunun yerine yerel zemin iyileştirmeleri yapılması tercih edilmektedir. Bugüne kadar stabilizasyon tekniklerinin gelişmesi, zemin ve geoteknikteki birçok konu gibi, önceki yapılardan edinilen tecrübeler ve deneysel bilgilerin birikiminden meydana gelmiştir. Günümüzde insan nüfusunun artmasına paralel olarak barınma ihtiyacının artması, yapı boyutlarının büyümesi, özelliklerinin yükselmesi, yapı yüklerinin artması yapıların çevresinde daha nitelikli zeminlere ihtiyaç duyulmasına sebep olmuştur. 1970'lerden itibaren alternatif bir uygulama olarak ortaya çıkan iyileştirme, zemini uygun bir yöntemle iyileştirip oturma ve stabilite açılarından sorunsuz bir hale getirmek ve yapının bu zemin üzerinde tasarlanmasını 4
sağlamaktır. Zeminlerin özelliklerini daha iyi nitelikli hale getirebilmek için iyileştirme tekniklerine ve yöntemlerine eskisinden daha çok ihtiyaç duyulmasına neden olmuş ve buna bağlı bu konuda oldukça ilerlemeler kayıt edilmiş ve edilmektedir. 2. İYİLEŞTİRME KAVRAMI Temel tasarımında genellikle mümkün olduğu taktirde sığ temeller kullanılmaya gayret edilir. Oturmaların büyük veya stabilite açısından yeterli güvenlik bulunmadığı durumlarda derin temel tasarımına veya alternatif olarak zemin iyileştirmesine başvurulur. Karşılaşılan zeminler her zaman istenilen özelliklere sahip olamamaktadır. Zemin özelliklerinin proje kriterlerine daha uygun hale getirilmesi mühendislerin düşündüğü ve geliştirdiği bir konu olup iyileştirme kavramının ortaya çıkmasına ve gelişmesine neden olmuştur. Zemin iyileştirme yöntemlerinin hızla gelişmesi derin temellere göre genellikle ekonomik alternatif olmalarından kaynaklanmaktadır. 2.1 ZEMİN İYİLEŞTİRME NEDENLERİ Farklı amaçlara yönelik çeşitli mühendislik yapıları (okul, konut, hastane, baraj, köprü, viyadük, otoyol, demiryolu, tünel, vbg.) yapılmaktadır. Bütün bu yapıların ya zeminin içinde veya üzerinde inşa edildiğini düşünecek olursak, zeminle ilgili olarak bir ara kesiti bulunmaktadır. Bu yapıların ömrü boyunca güvenli ve istenilen özelliklerde hizmet verebilmesi her şeyden önce üzerinde ve/veya içinde yer aldığı ortamın özellikleriyle yakından ilgilidir. Yapıların yer aldığı ortamlar; çok farklı karakterlere sahip olan kaya ve zemin türü ortamlardır. Kaya ve zemin mekaniğinden de bilindiği üzere bu ortamların çeşitli koşullar altındaki davranışları farklılık arz eder. Ortam koşulları mühendislik yapılarının tasarımında, inşasında, kullanımında önemli rol oynar. Her farklı tip mühendislik yapısında ortam özelliklerinin farklı olması arzu edilir (örneğin, yapı temellerinde taşıma gücünün yüksek olması, bir beton kemer barajda baraj gövdesinin bağlandığı kayaların mekanik ve fiziksel özelliklerinin oldukça iyi olması, yol dolgularında dolgu malzemelerinin sıkışabilirlik özelliklerinin belirli standartlara uyması ve kullanımı esnasında dış ortam koşullarından etkilenmemesi, vbg.). Zeminler yapıların altında çoğunlukla taşıyıcı ortam görevi görmesinin yanında bazı yapılarda da inşaat malzemesi olarak kullanılmaktadır (örneğin, su tutma yapıları, taşkın önleme seddeleri, yol dolguları, vbg.). Zemin-yapı etkileşimi ve tesirleri olumlu veya olumsuz yönde yapı üzerinde zaman içerisinde görülebilmektedir. İnşaat mühendisine düşen görev; zemin koşullarına uygun olarak mühendislik projesini güvenli ve ekonomik olarak projelendirmek ve uygulamaktır. Genel 5
anlamda zeminlerin bu yapıların tabanını oluşturduğu düşünülecek olursa; zeminlerin arzu edilen özelliklerde olup-olmaması yapı maliyetini ve güvenliğini etkileyecektir. Yapıların daha ekonomik ve güvenli inşa edilmesinde zemin ortamının oynadığı rol oldukça büyüktür. Nüfusun artması, ekonomik göstergelerin yükselmesi, ihtiyaçların çeşitlenmesi; a) problemsiz alanlardaki daralmaya, buna karşılık problemli alanlarda yapı yapmaya, b) yapılardaki boyutların büyümesi daha iyi zemin koşullarının gerekliliğini, c) daha yüksek düzeyde mühendislik yapı ihtiyaçlarını, ortaya çıkarmaktadır. Bu zorlamalar, zeminlerin arzu edilen performansının elde edilebilmesi için; çeşitli zemin iyileştirme yöntemlerinin geliştirilmesine ve uygulanmasına başlıca neden teşkil etmiştir. 2.2 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ Olumsuz zemin koşullarında başlıca 4 tür iyileştirme uygulanabilir; 1) mekanik, 2) hidrolik, 3) fiziksel ve kimyasal iyileştirme, 4) ekleme-sınırlama yolu. Bu yöntemler uygulanarak; zeminin kayma dayanımını artırmayı ve önemli yükler altında zemin davranışını iyileştirmeyi, oturmayı azaltmayı, zeminden su sızıntısı kayıplarını azaltmayı hedefleriz. Mekanik iyileştirme de kısa süreli mekanik kuvvetlerin etkisi ile zemin yoğunluğunun arttırılması amaçlanmaktadır. Örneğin; yüzeydeki zemin tabakalarının statik, titreşimli veya darbeli silindir ya da titreşimli tablalarla sıkıştırılması, zeminlerin derinde titreşimle sıkıştırılması mekanik iyileştirme yöntemlerini oluşturmaktadır. Ayrıca patlatma ile sıkıştırma, sıkıştırma kazıkları ile zeminin sıkıştırılması bu grup içersinde sayılabilir. Hidrolik iyileştirme drenler veya kuyular yardımı ile boşluk suyu basıncının düşürülerek kayma dayanımını arttırmayı hedefleyen iyileştirme yöntemleridir. Kaba daneli zeminlerde kuyu veya hendeklerden pompalama ile yeraltı su seviyesinin indirilmesi, ince daneli zeminlerde düşey drenlerin yardımı ile de ön yükleme yapılması, elektriksel yüklerle boşluk suyunun uzaklaştırılması türünden iyileştirmeler bu grup altında toplanabilir. Geosentetiklerin geleneksel tekniklere katkısı bu alanda büyük olmuştur. Diyafram duvarlar, palplanş duvarlar ve geomembranlar, keson ve tünelde basınçlı hava kullanılarak zemin suyunun uzaklaştırılması teknikleri bu grup içerisinde sayılabilir. 6
Fiziksel ve kimyasal iyileştirme yüzeysel zemin tabakalarında katkıların fiziksel olarak karışımı, katkıların derinlerde kolonlar teşkil edecek şekilde karıştırmak yolu ile yapılabilir. Doğal zeminler, endüstriyel artık ürünleri veya atıklar, birbiriyle veya zeminle reaksiyona giren çimento ve kimyasallar katkı maddesini oluşturur. Katkı zemin boşluklarına veya yapı elemanı ile zemin arasındaki boşluğa basınçla verilirse bu uygulama enjeksiyon adını almaktadır. Isıtma ve dondurma yolu ile yapılan iyileştirmeler (ısısal yöntemler) ile son yıllarda yurdumuzda geniş uygulama alanı bulan jet grout kolonu uygulaması bu grup içerisinde sayılabilir. Ekleme ve sınırlama ile iyileştirmede fiberler, şeritler, donatılar ve hasırların zemine yerleştirilmesi ile zemin kütlesi dayanımı arttırılmaktadır. Benzer şekilde zemin çivileri ve ankraj yerleştirilecek zeminin donatılandırılması ekleme ile yapılan iyileştirme anlamındadır. Beton, çelik veya diğer üretilmiş elemanlarla zemini sınırlandırarak duraylı zemin yapıları elde etmek olanağı vardır. Yaşayan (kafes) duvarlar, gabion elemanlar, geotekstilli bohçalama duvarları, taşkolon ve geokolon teşkili bu grup içerisinde sayılabilir. Yukarıda sayılan iyileştirme yöntemlerinden birisinin seçiminde istenilen iyileştirmenin nedeni ve hangi dereceye kadar yapılmak istenmesinin yanı sıra jeolojik yapı, zemin türü, sızıntı koşulları, maliyet, malzeme ve uygulama aygıtlarının elde edilebilirliği, süre, çevre yapılarında olası hasar, yeraltı suyu kaynaklarında olası kirlilik, iyileştirmede kullanılan malzeme dayanıklılığı, paslanma etkisi, iyileştirme yönteminin güvenilirliği, iyileştirmenin denetimi gibi etkenler önemli rol oynamaktadır. Zemin ıslak olmak koşulu ile yukarıda sıralanan yöntemlerden yalnızca dondurma yöntemi, tüm zemin cinsleri için uygun olup diğer tüm yöntemler zeminin kohezyonu olup-olmadığına, suya doygun olup-olmadığına, normal ya da aşırı konsolide olduğuna, zeminin özel bir yapısı (örneğin organik veya atık) bulunup-bulunmadığına göre bir yöntem uygun olabilirken diğeri uygun olmayabilir. Özellikle uğraşılan sorunun türünün (temel taşıma gücü, yanal dayanımı, dayanma yapısı teşkili, yumuşak ve gevşek zemin üzeri dolgu, sızıntı vs) bir yöntemin uygunluğunda çok önemli bir etken olduğu bilinmektedir. Şekil 1.1. de verilen diyagramda yukarıda sıralanan iyileştirme yöntemlerinin bazılarının dane boyutuna göre hangi türlerde daha başarılı olabileceğini göstermektedir. 7
Şekil 1.1. İyileştirme yöntemlerinin dane boyutuna göre uygulanabilirliği. 2.3 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN SEÇİMİ Yapılacak mühendislik yapısının türüne göre zeminde olması istenen özellikler farklı olabilmektedir. Karşılaşılan zeminlerin arzu edilen zemin özelliklerine ulaşabilmesi için uygulanacak yöntemler değişik olabilmektedir. Yukarıda belirtildiği üzere zeminlerin iyileştirilmesinde çok farklı yöntemler geliştirilmiştir. Her yöntem zeminin farklı bir parametresini daha iyi hale getirilmesine yöneliktir. Zeminin hangi özelliklerini değiştirmek veya iyileştirmek isteniyorsa uygulanacak yöntem buna göre seçilmelidir. İyileştirme yöntemlerinin de zemin cinsi ve özellikleri ile ilgili olduğu göz önünde tutulmalıdır. Zemin cinsine göre tavsiye edilen iyileştirme yöntemleri Tablo 1.1 ve Tablo 1.2 de verilmiştir. 8
Tablo 1.1. Zemin cinsine göre tavsiye edilen iyileştirme yöntemleri (Rodriquez). Tablo 1.2. Zemin cinsine göre tavsiye edilen iyileştirme yöntemleri (Hunts). 9
3. ZEMİNLERİN SIKIŞTIRMA YÖNTEMLERİ Bir malzemenin göstereceği davranış o malzemenin fiziksel ve kimyasal yapısı ile ilgilidir. Fiziksel olarak bir malzeme ne kadar az boşluk oranına sahipse veya diğer bir deyişle kompasitesi ne kadar fazla ise o malzemenin dayanımı veya mukavemeti o kadar fazla olur. Zeminlerin hem yapılarımıza taban teşkil ettiği ve bazı durumlarda inşaat malzemesi şeklinde kullanıldığı düşünülürse; her türlü dayanımın yüksek olması arzulanır. Dayanımın yüksek olması; yukarıda söylendiği üzere yapının boşluksuz olmasına bağlıdır. Gerek yapıların tabanını teşkil eden kütlenin ve gerekse teşkil edilen yapay dolguların, yapı yükleri ve dış etkiler altında dayanımlarının yüksek olması istenir. Yapı yükleri nedeniyle meydana gelen oturmalar; yapıların kullanımını bazen sınırlandırmakta veya yapının kullanımını engelleyebilmektedir. Zemin kompaksiyonu; zeminin boşluk oranının azaltılmasına imkan vererek yükler altında daha az deforme olan bir ortam sağlamaktadır. Bilindiği üzere zeminlerin kompaksiyonuna etki eden bir takım etkenler bulunmaktadır. Zeminlerin sıkışmasına etki eden bu etkenler aşağıda ana başlıkları ile belirtilmiştir: Zeminin cinsi, Zeminin dane dağılımı, Zeminin en büyük dane çapı (D max ), Sıkıştırma sırasındaki su muhtevası, Sıkıştırma sırasında kullanılan enerji miktarı, Zemindeki bağlayıcı çimento miktarı ve cinsi, Sıkıştırma vasıtasının cinsi, kapasitesi ve özellikleri, Yukarıda ana başlıkları verilen bu parametreler sıkışmayı kontrol eden başlıca parametrelerdir. Sıkıştırılacak zeminin cinsi, miktarı, büyüklüğü, bulunduğu konum ve sıkıştırmanın esas maksadına yönelik olarak değişik sıkıştırma yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin başlıcaları; Vibrokompaksiyon veya vibroflotasyon, Vibro (titreşimli) boru, çubuk veya sondalar, Kompaksiyon kazıkları, Dinamik kompaksiyon (veya konsolidasyon)-ağırlık düşürme, Patlatma. 10
Sıkıştırma tekniklerinden kullanıldığı amaçlar şu şekilde sıralanabilir: Yol, demiryolu, sedde, baraj gibi kendilerinden yüksek performans istenen yapay dolguların teşkilinde, Yapılar altında kalacak zeminlerin sıkıştırılması ile daha ekonomik temel projelendirilmesi, Oturmaları sınırlandırmak maksadıyla, Taşkın önleme seddelerinde, barajlarda permeabilitenin (geçirgenliğin) azaltılmasında, Depremlerde sıvılaşma problemlerinin çözümünde. 3.1 VİBROKOMPAKSİYON/VİBROFLOTASYON Vibratör (veya vibroflot) denilen sonda bir paletli vinç ve uzatma boruları vasıtası ile kendi ağırlığı ve üzerindeki su jeti yardımı ile titreştirilerek zemine sokulur (Şekil 3.1). Vibratör çap, boy ve ağırlıkları değişiklikler göstermekle birlikte 40 cm çapında, 3 m boyunda ve 3 ton ağırlığında bir vibrator orta boy bir ekipman kabul edilebilir. Vibrasyon genlikleri ile zemine büyük dinamik yükler verilmektedir. Vibroflot 1-2 m/dak. hızla gevşek zeminlere girer. Şekil 3.1. Vibrokompaksiyon uygulaması. Titreşen zemin oturur ve vibratörün çevresinde bir çöküntü konisi oluşur. Sahaya getirilen kum-çakıl yüzeyden bu boşluğa doldurularak zemin devamlı doldurulur. Proje derinliğine inen titreşimli sonda üstten malzeme eklenirken zemini sıkıştırarak yavaş yavaş yukarı çekilir (0.3m/dak. gibi). İyileştirme noktasında sonda çapından daha büyük sıkı bir kolon oluşturulmuş olur. Rezonans kompaksiyon yöntemi vibrokompaksiyon yönteminin yeni bir şekli olup vibrator zemine indirildikten sonra frekansı değiştirerek zeminin rezonans frekansına ayarlanmakta ve zemin amplifikasyona uğrayarak daha iyi sıkışmaktadır. Bu yöntem ve vibrasyon kaynaklı 11
diğer yöntemler esasen kohezyonsuz zeminlere uygulanabilir ve ince dane oranı (%<No.200 elek) genellikle en fazla %20 civarında olmalıdır. Şekil 3.2'de vibroflotasyona uygun zeminlerin dane çapı dağılım sınırları görülmektedir. Şekil 3.2. Vibrokompaksiyon ile iyileştirme yapılacak uygun zeminlerin dane çapı dağılımı. Vibrokompaksiyon projelerinin tasarımında iyileştirme yapılacak noktaların aralığı, derinliği, planda geometrisi ve uygulama noktaları arasında hedeflenen izafi sıkılık belirlenir. Proje tipi ve yerel şartlara göre değişmesine rağmen aşırı oturmalar ve sıvılaşmanın önlenmesi için genellikle %75 civarında bir izafi sıkılık proje kriteri olarak kullanılmaktadır. Uygulama aralığı 1.5-3.0 m arasında değişmektedir. Vibrokompaksiyon Uygulamalarının Sonuçları 1. Temellerdeki oturmaları azaltır, 2. Sismik aktivitenin neden olduğu sıvılaşma riskini azaltır, 3. İri daneli dolgu zeminlerde yapılaşmaya müsaade eder. Önemli Vibrokompaksiyon Parametreleri Nelerdir? 1. Zemin tipi ve dane dağılımı, 2. Relatif sıkılık (D r ). 12
Değişik Zeminlerde Beklenen Vibrokompaksiyon Sonuçları Zemin Cinsi Etkinlik Derecesi Kumlar Killi Kumlar Siltler Killer Maden Atıkları Yapay Dolgular Atık (Çöp) Mükemmel Ortadan İyiye Doğru Zayıf Uygulanamaz İyi (eğer iyi daneli ise) Dolgunun Karakterine Bağlı Uygulanamaz Vibrokompaksiyonun Yapım Basamakları 1. Zemin etüdü (dane dağılımı önemlidir), 2. Muhtemel oturmaların hesaplanması, 3. Uygun sıkıştırmanın sağlanması (oturmayı azaltmak ve/veya sıvılaşmayı önlemek için yeterli sıkıştırma), 4. Uygun vibrokompaksiyon yaklaşımının geliştirilmesi (tüm bölgeyi yada sadece temel altını iyileştirmek), 5. Test kriterinin sağlanması (relatif sıkılık, Standard Penetrasyon Deneyi SPT, Konik Penetrasyon Deneyi CPT, Presiyometre Deneyi PMT, Dilatometre Deneyi DMT, Plaka Yükleme Deneyi). 3.2 TİTREŞİMLİ BORU VE ÇUBUKLAR Titreşimli boru veya çubuklar zemine sokularak zeminin sıkılaşması ve oturması sağlanmaktadır (Şekil 3.3). Arazi üstten dolgu ile takviye edilerek kotlar kontrol altında tutulmaktadır. Genellikte paletli vinçlerin sarkıttığı üst vibratörler kullanılmaktadır. Çeşitli çubuk ve sonda kesitleri uygulanmaktadır. Japon yöntemi vibro-kompozer vibroflotasyona daha fazla benzemektedir. Burada borunun yan çatalından beslenen kum; muhafaza borusunun alt ucuna dolmakta ve buradan hava basıncı ile kum itilmektedir. 13
Şekil 3.3. Vibro-kompozer uygulaması. 3.3 KOMPAKSİYON KAZIKLARI Kompaksiyon kazığı tekniği kısaca zemine ucu kapalı çelik boruların kazık çekiçleri (klasik çekiç veya vibratör çekiç) ile çakılması ve içlerinin doldurularak çekilmesi esasına dayanmaktadır (Şekil 3.4). Şekil 3.4. Kompaksiyon kazıklarının uygulaması. Terk edilen uçlar veya özel ağızlı çarıklar kullanılmaktadır. Burada zeminin radyal olarak deplasmana uğrayarak sıkılaşması ve çakım sırasında vibrasyondan etkilenerek oturması söz konusudur. 0.9-1.8 m uygulama mesafeleri kullanılmaktadır. İnce dane oranı fazla olan zeminlere de uygulanabilir olması pratik açıdan yöntemin önemini artırmaktadır. Kum drenler ile karıştırılmamalıdır. Killi ve siltli zeminlerde oturma hızlarına katkıda bulunabilirler. Kum tabakalarını istenilen derinliğe kadar sıkıştırmak için Franki ve Keller in sarma-basınç metotları kullanılabilir. 14
Franki metodunda, 50 cm genişliğindeki bir çelik boru zemine çakılır. Bundan sonra borunun içine, kum, çakıl, ve mıcırdan ibaret bir tampon dökülür. Tokmak boru içine düşer ve tampona vurur. Bu esnada tampon sıkışır ve nihayet bu sıkışma boruyu birlikte zemine sürüklemeye yetecek miktarı bulur, Fazla derinliklerde, birbiri içine giren ve teleskop şeklinde açılan borular kullanılır. İstenilen derinliğe inilince, boru sabit tutulur ve çakıl tamponun üzerine yapılan tokmak darbeleriyle tampon borudan dışarıya zımba1anır. Borunun içine devamlı olarak kum, çakıl ve mıcır dökmek ve bunları tokmaklamak suretiyle boru yavaş yavaş dışarıya çekilir ve bu suretle zemine kum, çakıl ve mıcır çakılmış olur. Zeminin sıkıştırılması, hem borunun çakı1ması ve hem de zemine kum, çakıl ve mıcır çakı1ması dolayısıyla meydana gelen hacim azalması (etrafa itilme) ile olur. Bundan başka çakma dolayısıyla meydana gelen sarsıntılardan dolayı da büyük bir çevre sıkışmaktadır. Keller' in sarsma-basınç metodunda ise, alt ucunda su vermek ve bu şekilde zemini gevşetmek suretiyle, uzunca bir sarsma gövdesi zemine yıkama suretiyle indirilmektedir. Sarsma gövdesi maksimum derinliğe indirilince, içinde bulunan düşey eksene tespit edilmiş ve eksantrik tekerlekleri ihtiva eden iki elektrik motoru harekete geçirilir. Bu halde sarsıcının ucundaki yıkamaya son verilir ve su sarsıcının üst kısmında zemine akıtılmaya başlanır (Şekil 3.5). Dönen bir hareket yapan sarsıcı, bir elektrik sayacı yardımıyla sarfiyatları kontrol edilen elektrik motorlarının sarfiyatları artmaya başlayıncaya kadar aynı yerde bırakılır. Bu halde sarsıcı artık zeminin çevresinde yapabileceği maksimum sıkıştırmayı yapmış sayılır ve bir miktar yukarıya çekilir. Sarsıcı zeminin çöküntü yapmasına neden olur; zemin yüzeyinde huni şeklinde bir boşluk meydana gelir ki bunun içine yukarıdan malzeme doldurulur. Şekil 3.5. Keller sarsma-basınç uygulaması. 15
3.4 DİNAMİK KONSOLİDASYON (DİNAMİK KOMPAKSİYON), YÜK DÜŞÜRME Bu yöntemin ilk uygulamaları 1970-1973 yıllarında olmuştur. Ağır yüklerin belirli bir yükseklikten zeminin yüzeyine düşürülmesi ve zeminin sıkıştırılması esasına dayanmaktadır (Şekil 3.6). Betonarme bloklar, beton doldurulmuş çelik saçlar, civatalanmış sert çelik plakalar yük olarak kullanılmaktadır. 0.5-200 ton arası yük uygulamaları yapılmıştır. Düşürülen yükseklikler 40 m'ye kadar çıkmaktadır. 15-20 ton ağırlıklar ve 15-20 m'den düşük tipik bir uygulama örneğidir. Şekil 3.7'de sıkıştırılacak zemin derinliği-enerji ilişkileri çeşitli zemin tipleri için verilmektedir. Kalabalık ve meskun yerlerde kullanılması uygun olmamaktadır. Şekil 3.6. Dinamik kompaksiyon uygulaması. 16
Şekil 3.7. Dinamik konsolidasyonda enerji-etki derinliği ilişkisi, D=sıkışan zeminin kalınlığı, W=tokmağın ağırlığı, H=düşme yüksekliği. Yükün düştüğü alanda bir krater oluşmakta ve zemin sıkışmaktadır. Genellikle kare veya dikdörtgen düzende ve 5-10 m aralıklı düşürme ara mesafeleri kullanılmaktadır. Sıkıştırılacak zemin derinliğine ve sıkıştırma kriterine göre aynı yere 5-10 kere düşürülebileceği gibi az sayıda değişik yerlere düşü ile sığ bir sıkıştırma yapılabilir. Ekonomik sıkıştırma derinlikleri 10 m'ye kadardır. Aynı noktaya yapılan düşüşlerde krater devamlı granüler malzeme ile doldurularak malzemenin derinlere itilmesi sağlanır. Uygulamaya başlamadan önce killi zeminlerde sahaya 1 m kadar daneli malzeme serilmektedir. Sömel altlarına lokal uygulamalar yapılabilmektedir. Plastik ve doygun killer genellikle bu yönteme uygun değildir. Önemli projelerde deneme çalışmaları daima tavsiye edilmektedir. Sıkıştırmanın başarısı arazi deneyleri ile ölçülmelidir. Bu yöntemin moloz dolgularda ve daneli zeminlerde başarılı ile uygulanabilmektedir. Geçirimli zeminlerde, sıkıştırı1an derinlik arttırmak istendiğinde verilen enerjiyi iki katı arttırmak gerekir. Yapılan çalışmalarda kil zeminlerde de başarılı olduğunu iddia etmekte iseler de; bu konuda şüpheler bulunmaktadır. Uygulamada birkaç metre aralıklı noktalarda ortalama 2-3 vuruş/m 2 yapılır. Vuruş noktaları arasında ek vuruşlarla "ütüleme" yapılır. Yöntemin ekonomik olabilmesi için ıslah edilecek alanın kum1arda 5000 m 2 den, suya doygun olmayan ince daneli zeminlerde 15000 m 2 den büyük olması gerekmektedir. Bu 17
metodun sakıncası, oluşturduğu 2-20 Hz lik titreşimler nedeniyle yakındaki yerleşim alanlarında problem çıkarabilmektedir. Genel olarak; köprü ayak1arına 6 m, petrol tanklarına 10 m, betonarme binalara 15 m, evlere 30 m ve hassas elektronik aletlerin bulunduğu yerlere 60 m nin altında yanaşma gerektiğinde mutlaka özel inceleme yapılması gerekir. 3.5 PATLATMA Yurdumuzda kullanılmayan bu yöntem ile kohezyonsuz gevşek zeminler; boşlukları azaltılarak sıkıştırılmaktadır. Ana prensip zemin içinde patlatma yaparak kayma (S) ve diğer dalgaları (P) üretmek ve zemini sıkıştırmaktadır. Bu yöntem suya doygun zeminler için uygundur. Patlatma sıvılaşmaya yol açar ve zeminin gevşek yapısı göçerek boşluk su basınçlarının düşmesiyle sıkılaşır, su ve gaz dışarı atılır. Yüzeyde kum kaynamaları görülür. Yöntemde istenilen derinliğe çeşitli yöntemlerle (vibrasyon, jet v.b.) boru yerleştirilir. Patlayıcı (dinamit, TNT, amonit v.b.) boru içine yerleştirilir, boru geri çekilerek delik doldurulur. Patlayıcılar planlanan şekilde patlatılır. Gevşek zeminlerde daha az patlayıcı kullanılmaktadır. İyileştirilecek zeminin dane çapı bakımından durumu vibrokompaksiyon kriterindekinin aynıdır. Uygulama derinliği bazı baraj vadilerinde 70-100 m ye kadar yapılmıştır. Patlayıcı etrafında küre şeklinde bir etki hacmi düşünülürse etki yarıçapı (R E ) (m), R K 3 E C (1) Şeklinde ifade edilmektedir. Etkili yarı çap, içinde oldukça üniform sıkıştırmanın gerçekleştiği yarı çap olarak tarif edilebilir. Burada K bir sabit, C ise kg olarak ve TNT eşdeğeri olarak patlayıcının miktarıdır. Patlama sonucu etkili yarıçap içinde sıvılaşma olur ve bu sıkıştırmanın esasını teşkil eder. Ortalama bir değer olarak başlangıç hesaplarında K=2.8 kullanılabilir. Patlatma tasarımında üç boyutlu tesir küreleri göz önüne alınarak üç boyutlu patlayıcı ara mesafeleri hesaplanır. En üst sıra patlayıcılar etkili yarıçaptan daha derine (zemin yüzeyinden) yerleştirilmezse zemin yüzeyinde krater oluşur ve istenmez. Zeminin tabii ortalama izafi sıklığına göre sıkıştırma ve oturmalar fark göstermektedir. Patlatma projelerinde düşey birim boy kısalma % 2-10 arasında değişmektedir. Tekrarlı ve gecikmeli (1-5 sn) patlatmalar; tek bir büyük veya çok sayıda aynı anda patlamadan daha tesirli olmaktadır. Doygun olmayan katmanların önce doyurulması gerekmektedir. Lös zeminlerde bu yöntemin başarı ile kullanıldığı bilinmektedir. Patlatma yönteminin bataklıkta uygulama örneği Şekil 3.8 da gösterilmiştir. 18
Şekil 3.8. Bataklıkta patlatma yöntemi ile dolgu yerleşimi. Bu yöntemin üstün olan tarafı, diğerlerinde mümkün olmayan derinliklerde etkin olabilmesidir. Derinliği 40 m yi bulan noktalarda 30 kg lık yüklerle atım yapılmakta ve başarılı sonuçlar alınabilmektedir. Kalınlığı 20 m ye varan gevşek granüler zeminler %70-80 relatif sıkı1ığa kadar sıkıştırılabilmektedirler. Yöntem yerleşme bölgelerinde uygulanamamaktadır. Zemin yüzeyinde patlatmayı izleyerek kraterlerin belirmesi sıkıştırma etkisinin ani olduğu kanısını uyandırabilse de bazı kitlelerin sıvılaşmayı izleyerek birkaç günden birkaç haftaya varan sürelerde dirençlerini kazanabildikleri görülmüştür. Arazi uygulamasında, öncelikle bir boru çakma, yıkama ya da titreşim1e istenilen derinliğe indirilir. Sonra patlayıcı borunun dibine yerleştirilerek delik doldurulur, sırasına göre patlatma yapıldıktan sonra boru yeniden kullanılmak üzere dışarı alınır. TNT, dinamit, ammonit gibi patlayıcıların etkin olduğu bir başka durum su altındaki gevşek zeminin 1-3 m üzerinde yapılan atımlardır. 18 m su altındaki çakıllı kumda 2.5 m yükseklikte 20 kg lık TNT atımında yüzeyin 25 cm çökertilebildiği bildirilmiştir. Löslerde uygulanan patlatma yöntemi araziyi su ile kapladıktan sonra 5 kg lık atım1ar yapmaktır. Etkinin yerel olması için arsanın kenarlarına birkaç metre derinlik ve 50 cm eninde 19
bir hendek kazı1dığı gibi, suyun derine etkiyebilmesi için belirli noktalarda sondaj delikleri açılmaktadır. Patlatma ile kompaksiyon tekniği ucuzluğu, kolaylığı ve özel aletler gerektirmemesi açısından diğer birçok yöntemden üstün olup mümkün olan her yerde uygulanmasının pratik olduğu söylenebilir. 4. ÖN YÜKLEME METODU Ön yükleme metodu, yapının inşasından önce zeminin genellikle toprak veya buna benzer bir yük ile yüklenmesi olarak tanımlanır. Metodun esası yapı yükünden oluşacak oturmaları; yapı yapılmadan önce uygulanacak ön yükleme ile meydana getirmektir. Bilindiği üzere kohezyonlu zeminlerde yapı yükünden oluşacak oturmalar uzun zamanda meydana gelmektedir. Yapı yapılmadan önce yapı altında meydana gelecek oturmaları önceden başlatmak ve hızlandırmak amaçlanmaktadır. Bilindiği üzere konsolidasyonu hızlandırmak; drenaj yollarının kısaltılması ile mümkündür. Bu amaca yönelik olarak ta suni drenler teşkil edilebilir. Ön yükleme, birincil ve ikincil konsolidasyon oturmalarının yapı yapılmadan önce başlamasına ve killi zeminin drenajsız kayma mukavemetinin artışına sebep olur. Yumuşak sıkışabilir zeminler ön yüklemeye uygundur. Amaç; inşaat sırasında ve sonrasında oturmaları en aza indirmektir. Proje yükü altında 2H kalınlığında normal konsolide olmuş bir zemin tabakasının bir boyutlu toplam konsolidasyon oturması; (Şekil 4.1.), dır. / 2H 0 Pf S f cc log (2) / 1 e 0 0 Şekil 4.1. Ön yükleme mekaniği. 20
Proje yükü + sürşarj yükü altında zeminde oluşacak oturma ise; / 2H 0 Pf Ps S f s cc log (3) / 1 e 0 0 (2) ve (3) ifadeleri arasındaki oran, proje yükü altındaki oturmaların proje+sürşarj yükü altındaki oturmalara yüzdesi veya konsolidasyon yüzdesidir, U S S f s f f s (4) Bu konsolidasyon yüzdesine karşı gelen zamana (t sr ) kadar zemin üzerinde tutulan bir proje+sürşarj yükü, proje yükü altındaki oturmaların tamamını karşılamaktadır. Ön yükleme projelerinde genellikle ya proje yükü altında ve kısıtlı zaman limiti içinde oturmaları kaldırmak veya azaltmak için ön yük miktarı hesaplanır ya da belirli bir pratik ön yük mertebesi için oturmaların belirli bir miktar azaltılması için ön yük bekletme zamanı (t sr ) hesaplanır. Yukarıdaki yöntem ve hesaplar, yüklemelerin zeminin geçmişteki ön konsolidasyon basıncı aşması halinde geçerlidir. Organik zeminler gibi bazı zeminler artık boşluk basınçları söndükten sonra oturmaya devam ederler. İkincil oturma denilen bu tip oturmalardan, ön yükleme ile benzer şekilde kurtulmak mümkündür. Proje yükü (P f ) altında yapı sırasında hem birincil hem de ikincil oturmalar istenmiyor ise proje+sürşarj (P f +P s ) yükü t sr zamanı kadar etki ettirilir. İkincil oturmalar, S sec 2H S C log t t (5) f s ifadesi ile hesaplanabilir. Burada (2H-S f ) birincil konsolidasyon sonunda zemin tabakası kalınlığı, C ikincil oturma katsayısı, t s ve t p ikincil ve birincil oturma zamanlarıdır. (t s /t p ) oranı genellikle 10-15 alınabilir. (2) ve (5) ifadelerinin toplamı (S sr =S f +S sec ) proje yükü+sürşarj (P f +P s ) altındaki birincil oturmalar ile karşılanır. U f s S f S S f s p sec (6) ifadesi ile benzer şekilde gerekli zaman-ön yükleme hesapları yapılır. Oturmalar; düşey dren teşkil edilerek hızlandırılabilir. Ön yükleme ve konsolidasyon sonucu kohezyonlu zeminin drenajsız kayma mukavemeti artar. Bu durum kademeli inşaat tekniğinin esasıdır. Zayıf ve yumuşak zeminlerde ön yükleme sırasında stabilite durumu hassasiyetle takip edilmelidir. Konsolidasyonu sağlamak için en çok kullanılan yük daneli malzemeden oluşan yüklerdir. Bunun yanında tanklar içinde su, yeraltısu düzeyinin sürekli olarak düşürülmesi, yüzeyde bir 21
miktar yük altında serilen plastik örtü yardımıyla vakum uygulaması, başvurulan yollar arasında sayılabilir. Ön yükleme sırasında bekleme süresini azaltmak için zemin içine düşey kum drenaj kolonları veya bazı yapay drenaj levha1arı yerleştirmek çok yararlı sonuçlar vermektedir. Bu durumda zemin içindeki su yalnız düşey yönde değil, yatay yönde de hareket edebildiği ve bu drenaj kanalları vasıtasıyla zeminden dışarı çıkabildiği için tabakanın konsolidasyonu çok daha hızlı gerçekleşmektedir. Kum drenler, plastik drenler, kağıt drenler bugün kullanılan başlıca dren çeşitleridir. 1925 yılından beri kullanılan kum drenler yumuşak kil zemin içerisinde temiz filtre kumu ile teşkil edilen bir kum kazığından ibarettir. Kum drenin yapımı sırasında, kil zemininin yoğrulmamasına ve geçirgenliğinin azalmamasına özen gösterilmelidir. Yüksek geçirgenliğe sahip 10-15 cm genişlikte ve 2-10 mm kalın1ıktaki kağıt veya plastik şeritler bir kılavuz çubukla zemine sokulmaktadır. 20 m uzunlukta olan bir dren yaklaşık 3 dakikada yerine yerleştirilebilmektedir. Drenlerin çok sık bir düzende ve kısa sürede yerleştirilebilmesiyle konsolidasyon zamanı azaltılmaktadır. Dren aralıkları; uygulamada 1-2 m arasında seçilebilir. Genellikle, ön yükleme süresi 2-3 ay sürebilir. 5. DÜŞEY DRENLER Kil tabakalarının kalın olması halinde ön yükleme halindeki konsolidasyon süreçleri oldukça uzun zaman alabilmektedir. Bu durum inşaat sürecini oldukça arttırmaktadır. Bu sürecin kısaltılması iki şekilde mümkün olabilir: Ön yük miktarının arttırılması, Düşey drenlerin oluşturulması. Uygulamada ön yük miktarının arttırılması ekonomik olamamaktadır. Bu gibi durumlarda konsolidasyon sürecinin kısaltılması için düşey drenler uygulanmaktadır. Düşey drenler bilindiği üzere drenaj yolunu azaltır. Boşluk suyu basınçları hızla sönümlenir. Birincil konsolidasyonda etkilidirler. Çok geçirgen bantlar ve mercekler drenlerin tesirini artırır çünkü düşey drenlere yatay drenaj sağlarlar. Ancak sürekli ve çok sık karşılaşılan geçirimli bant ve tabakalar düşey drenleri gereksiz kılmaktadırlar. Bu bakımdan güvenilir zemin etüdlerinin yapılması çok önemlidir (sürekli numuneler, statik sonda, arazi permeabilite deneyleri gibi). 22
5.1 DÜŞEY DREN ÇEŞİTLERİ Düşey drenler uzun yıllar kum doldurulmuş düşey kuyular-kum drenler olarak uygulanmıştır. Son 30-40 yıldır plastik şerit v.b. yeni dren tipleri de yaygınlaşmıştır. Kum drenler 20-60 cm çaplı, 1.5-6 m ara mesafeli içi kum dolu düşey kuyulardır. Deliklerin açılması sırasında en az örselenme olmalıdır. Aksi halde permeabilite azalacağından; drenaj imkanları azalır. Bu bakımdan ucu kapalı veya açık boru çakılması gibi yöntemlerden ziyade burgu ile foraj yöntemi tercih edilmelidir. Plastik veya karton drenler; genellikle oluklu bir plastik kesitin etrafına sarılı geotekstil veya kartondan oluşmaktadırlar ve yaklaşık 10 cm x 0.4 cm kesitli olup makaraya takılmış şeritler şeklinde ve bir metal mandrelin yumuşak killi zeminlere itme ile sokulması ile yerleştirilirler. 5.2 DÜŞEY DRENLERİN TASARIMI Düşey drenlerin hesabında; her drenin etrafında silindirik bir kütlenin bağımsız olduğu ve sadece bu hacim içindeki zeminin drenajı ile etkilendiği ve zeminin sadece yatay drenaj yolu ile konsolide olduğu, yatay permeabilite ve konsolidasyon katsayılarının (k h ve c h ) sabit kaldığı kabul edilmektedir. Belirli bir ara mesafesinde ve çapta düşey drenler kullanıldığında herhangi bir radyal (veya yatay) ortalama konsolidasyon derecesi (veya yüzdesi), ifade ile hesap edilebilir; U h, için gerekli zaman (t) aşağıdaki d t 8c 2 e h 1 In 1 U h (7) Burada c h ; yatay konsolidasyon katsayısı, d e ; bir düşey drenin etki çapı, n=d e /d w dir. (d w : dren kuyu çapı) (Şekil 5.1). Yatay konsolidasyon katsayısı önemli olup c h U h =(ln n - 0.75) ve kh d 2 e Th t (8) m ifadeleri ile verilebilir. Burada; T h : yatay zaman faktörü (c h katsayısının yatay drenaj mekanizması sırasında), k h : yatay permeabilitenin (oturma, düşey sıkışma) ve m v : hacimsel sıkışma katsayısı ile ilişkili olduğu unutulmamalıdır. Bu bakımdan en iyi c h belirleme yöntemi, arazide düşey dren denemelerinden sonra laboratuvar konsolidasyon deneylerini ve arazide permeabilite deneyleri ile yapılmasıdır. 23
Şekil 5.1 Düşey Dren Geometrisi Düşey drenler ile radyal konsolidasyon sırasında zemin içerisinde bir miktar da düşey konsolidasyon oluşmaktadır. 3 boyutlu konsolidasyon yüzdesi veya derecesi (U ) 1 U U U h 1 İfadesi ile bulunabilmektedir. Burada 1 (9) U ortalama düşey konsolidasyon yüzdesidir. Plastik dren halinde dren çevresi silindirik kuyu çapına çevrilmelidir. Düşey dren projelerinde oturma ölçer aletler ve boşluk suyu ölçümleri projenin sıhhati açısından önem taşımaktadır. 6. ENJEKSİYON Temel zeminin veya ana kayanın kayma mukavemetini arttırmak ve geçirgenliğini azaltmak amacı ile zemin ve kaya içerisine basınç altında çeşitli bileşimlerdeki karışımların enjekte edilmesine (basılmasına) enjeksiyon denmektedir. Ancak her ne kadar teçhizat benzerse de çok yaygın olan ve çatlaklı kayaçların üzerine inşa edilen barajların sızdırılmazlığını sağlamak amacı ile yapılan enjeksiyon, temel mühendisliğindeki uygulamalardan farklılık arz eder. Enjeksiyonla sağlamlaştırmada, zemine enjekte edilen enjeksiyon harcındaki tekil danelerin konumunu sabitleştirmesinden dolayı toplam sistemde sürekli artan bir deformasyon direnci elde edilir. Sağlamlaştırılan alt zeminin dayanımı, herhangi bir işlem görmemiş zemin ile basıldıktan sonra sertleşen enjeksiyon harcının özelliklerine bağlıdır. Fakat zeminin dayanımı her iki bileşenin (zemin + enjeksiyon harcı) özelliklerinden belirlenemez. Ancak, başarılı bir 24
sağlamlaştırmaya dayanımından daha yüksektir. tabi olan zeminin dayanımı; enjeksiyonda kullanılan maddenin 6.1 TEMEL ENJEKSİYON UYGULAMALARI VE AMACI Temel enjeksiyonu uygulamanın başlıca amaçları aşağıdaki şekilde sıralanabilir: 1. Aşırı oturmaları önlemek amacıyla boşlukları doldurma, 2. Yeni yapılar veya mevcut yapıların büyütülmesi halinde zeminin emniyet gerilmesini artırma, 3. Yeraltı su akımını kontrol altına alma, 4. Hafriyatlarda veya kazık çakımı gibi işlemlerde gevşek veya orta gevşek kohezyonsuz zeminin oturmasını önleme, 5. Tünel kazıları sırasında yer değiştirmeleri (yüzey/yüzey altı) kontrol etme, 6. İksa ile ilgili problemlerini çözmek amacı için zemin güçlendirmesi, 7. Kazıkların düşey ve yatay kapasitelerini artırma, 8. Sıvılaşmaya karşı gevşek kum tabakalarını taşlaştırma, 9. Temeli alttan destekleme işleri, 10. Şev stabilizasyonu, 11. Şişen zeminlerin stabilizasyonu. Enjeksiyon karışımının cinsi doğrudan ıslah edilecek zemin dane çapı ile ilgilidir. Çimento, kireç ve bentonit gibi daneli karışımlar çakıl dane boyutundan orta kum boyutuna kadar olan zeminlerde kullanılabilmektedir. İnce kum ve siltlerin enjeksiyonunda kimyasal eriyikler kullanılmalıdır. Kil zeminlerin enjeksiyonla ıslahı mümkün değildir. Sadece, kil içerisinde belli başlı fisürler ve kuruma çatlakları doldurulabilir. Daneli karışımlarda yapılan enjeksiyonun başarılı olabilmesi için zeminlerde alma oranı : ( D ( D 85 ) ) 15 zemin karıarı Kaya fisürlerindedeki enjeksiyonda ise: 25 olmalıdır. ( D ( D) mak ) fisür karıarı 5 bağıntısının sağlanması aranır. Bu oranın 2 den küçük olması halinde daneli karışım kullanılarak enjeksiyon yapılması tavsiye edilmez. Daneli karışımların kullanılamadığı durumlarda kimyasal eriyikler kullanılır. Bugün en çok kullanılan kimyasal maddeler silikatlar, krom-lignin, reçine akrilamid ve polüretandır. İyileştirilecek ortamda %20 den fazla silt ve kil boyutunda danelerin olması halinde 25
enjeksiyon işleminde mutlaka kimyasal maddeler kullanılmalıdır. Zemini kirletmedikleri ve daha ucuz olmaları nedeniyle uygulamada çoğunlukla (Na 2 SiO 3 +CaCl 2 ) veya (Na 2 SiO 3 +NaHCO 3 ) gibi silikatlar kullanılmaktadır. Bir enjeksiyon projesinde akış diyagramı dört bölümde düşünülür: 1. Arazi bilgilerinden sondaj deliklerinin yerleri belirlenir. 2. Eğimler ve enjeksiyon derinlikleri kararlaştırılır. 3. Ortam özellikleri dikkate alınarak enjeksiyon sıvısının özellikleri belirlenir. 4. Çalışma programı belirlenerek titizlikle takip edilir. Enjeksiyonun en çok uygulandığı alan kuşkusuz baraj temelleridir. Alüvyonlu zeminler ve gözenekli kayaçlarda baraj güvenliğinin korunması için enjeksiyon programının uygulanması zorunlu olur. Ülkemizde birçok projede başarı ile uygulanan bu yöntemde DSİ hayli başarılı ve tecrübelidir. En çok kullanılan enjeksiyon malzemesi; çimento türleri, bentonit, silikatlar ve son yıllarda rağbet bulan lignin, akrilamid, resorsinal, formol gibi kimyasal bileşimlerdir. Enjeksiyon basınçlarının hangi düzeyde tutulacağı bugün bile tartışma konusudur. Ancak enjeksiyon sıvısının iyileştirme bölgesine girişini sağlamak için minimum basıncın katman yükü eşdeğerinden yüksek olması esas kural olarak kabul edilir. Enjeksiyon debisi sabit tutulursa basınç ortamının geçirimliliği, sıvının viskozitesi ve sistemdeki yük kayıplarının fonksiyonu olur. Değişmez debi ideal çalışma şartları açısından istenirse de bazen yüzeydeki kabarma ve çatlamalar; ortamın bu hıza uygun olmadığının göstergesi sayılarak basınç düşürülür. Genel kural olarak açık enjeksiyonda her metre delik derinliği için 0.2 kg/cm 2 basınç uygulanır. Geoteknik mühendisliğindeki enjeksiyon uygulama alanları şöyle sıralanabilir: 1. Geçirimsizlik perdelerinin teşkil ettirilmesinde (perde enjeksiyonu), 2. Aşırı oturmaların ve su kaçaklarının önlenmesi maksadıyla boşlukların doldurulması, 3. Dinamit atımıyla gevşeyen temel kayanın üst kısımlarının sağlamlaştırılması (konsolidasyon enjeksiyonu), 4. Yapı ile ana kaya arasında kalması muhtemel boşlukların doldurulması (kontak enjeksiyonu), 5. Tünel inşaatında, tünel aynasının stabilitesinin sağlanmasında ve üst tabakalarda kemerleme sağlamak amacıyla, 6. Temel çukuru duvarının stabilitesinin sağlanmasında, 7. Komşu temellerin takviyesinde veya oturmuş temellerin düzeltilmesinde, 8. Hacim değişimi gösteren zeminlerde şişme ve büzülmenin azaltılmasında. 26
Enjeksiyon teknikleri 4 gurup altında incelenebilir (Şekil 6.1): 1. Hidrolik çatlatma veya zemin içine belirli zayıf bölgeler itibarı ile kısmi deplasman enjeksiyonu (yapraklanma). Çimento esaslı harçla 10 kg/cm 2 basınçla zemin parçalanarak yapılır. Şekil 6.1 Enjeksiyon teknikleri. 2. Deplasman ve kompaksiyon enjeksiyonu (sıkılama enjeksiyonu) Zemini tamamen deplase (yerdeğiştirme) ederek enjeksiyon malzemenin zemine sokulması suretiyle yapılan enjeksiyondur. Gevşek zeminleri sıkıştırmak ve birim hacim ağırlığını arttırmak için zemin-çimento harcı 35 kg/cm 2 lik basınçla zemine enjekte edilir. 3. Permeasyon enjeksiyonu (geçirimsizlik enjeksiyonu). Danelerin konumunu bozmadan, daneler arası boşluklara girerek zemin hacmini ve yapısını değiştirmeden yapılır. Kullanılan enjeksiyon harcı; zeminin dane çapına ve geçirgenliğine bağlı olarak silikat veya reçine esaslı olarak seçilir. 4. Jet-grouting (jet enjeksiyonu), temel altı zeminin iyileştirilmesi ve temel yüklerinin daha derindeki sağlam zeminlere aktarılması amacıyla yapılır. Uygulama delme ve püskürtme olarak iki aşamadan ibarettir. 27
Permeasyon enjeksiyonu, parçacıklardan oluşan enjeksiyon malzemeleri veya çok çeşitli kimyasal enjeksiyon malzemeleri kullanılarak yapılmaktadır. Hedeflenen amaç zeminin daneleri arası boşlukları doldurmak olduğundan enjeksiyon malzemesi; zeminin dane çapı göz önünde bulundurularak seçilir. En yaygın daneli enjeksiyon malzemesi çimentodur. Toprak veya kil ve bunların çimento ile karışımları da kullanılır. Çimento; katkılı veya katkısız daha ince mikro çimento olabilir. Çimentonun dane çapı Şekil 6.2 ve Şekil 6.3 de görüldüğü gibi ancak kaba kumların ve daha kaba zeminlerin daneleri arasına girmeye uygundur. Su-çimento oranları 0.5/1-6/1 arası değişir. Mikro çimento ile ince kumlara girmek son senelerde mümkün olmuştur. Kum-çimento, kil-çimento karışımları kaba daneli zeminlere girebilir. Daneli karışımlar genel olarak orta ve kaba kumlardan daha ince dane çapına sahip zeminlere permeasyon enjeksiyonu olarak giremezler. Bu yaklaşık olarak 5x10-4 cm/sn lik bir permeabiliteye karşı gelmektedir. Şekil 6.2. Çeşitli enjeksiyon yöntemlerinin dane çapına göre uygunluğu. Şekil 6.3. Çeşitli enjeksiyon malzemelerinin zeminlerin dane çaplarına girebilme limitleri. 28
Hangi enjeksiyon malzemesinin hangi zemine girebileceği aşağıdaki enjekte edilebilirlik oranları ile gösterilmektedir: D 15 (zemin) / D 85 (enjeksiyon malz.) < 24 enjeksiyon düzgün olarak mümkün < 11 enjeksiyon mümkün değil D 10 (zemin) / D 95 (enjeksiyon malz.) < 11 enjeksiyon düzgün olarak mümkün < 6 enjeksiyon mümkün değil Burada D xy zeminin ve enjeksiyon malzemesinin yüzde xy'sinin daha ince olduğu dane çaplarına karşı gelmektedir. İnce dane oranı %10 dan az olan zeminlere kimyasal solüsyonlar permeasyon enjeksiyonu olarak uygulanabilirler. İnce dane oranı %15'ten fazla ise etkili bir kimyasal enjeksiyon zor olabilir. İnce dane oranının %20 den daha fazla olması halinde permeasyon mümkün olamayacaktır. İnce dane oranının yüksek olduğu zeminlere kimyasal enjeksiyon malzemeleri hidrolik çatlatma ile enjekte edilebilmektedir. Kimyasal enjeksiyon malzemelerinin kullanımı yer altı suyu ve çevre kirliliği açısından kısıtlanmaktadır. En zararsız görülen silikatların kullanıldığı enjeksiyon bölgelerinde suyun PH değerinin 8.6'dan küçük olması istenmektedir. Bunun için alkali olmayan silikat karışımlar geliştirilmiştir (Silika-sol solüsyonları) Şekil 6.3'de zeminlerin dane çapına göre permeasyonu sağlayan çeşitli kimyasal enjeksiyon malzemeleri görülmektedir. 6.2 KOMPAKSİYON ENJEKSİYONU Kompaksiyon enjeksiyonu zemini deplase (yerdeğiştirme) ederek katı enjeksiyon malzemesinin zemin içine yerleştirilmesidir. Zemin hem enjekte edilen malzemenin etrafında hacim değişikliğine uğrayıp sıkışacak hem de enjeksiyon malzemesinin (genellikle beton) desteğini alacaktır. Kompaksiyon enjeksiyonu malzemeleri katı veya düşük kıvamlı (0-5 cm çökme) çimento, kum veya kil ve su karışımı malzemelerdir. Plastiklik ve enjeksiyonlanabilme özelliklerinin artımı için katkı malzemeleri kullanılmaktadır. Enjeksiyon malzemesi içinde kullanılan agrega; %100 ü, 8 nolu elekten geçen bir kum olmalıdır. 200 nolu elekten geçen malzeme, %10 ila %30 arası değişir. Kompaksiyon enjeksiyonu tasarımı, enjeksiyon sırasını, bir delikteki enjeksiyon işlemlerini kapsamalıdır. Yöntem, genellikle binaların kaldırıp doğrultulması gibi alttan destekleme işlerinde kullanılır. Enjeksiyon, yukarıdan aşağıya veya aşağıdan yukarıya yöntemlerinden biri takip edilerek yapılır. 1-2.5 m aralıklarla ilerlenir ve refü alınıncaya kadar karışım pompalanır. Her iki yöntemin avantaj ve dezavantajları vardır. Basınçlar bazı hallerde 4500 kpa'yı geçer 29
(Genellikle 1000-3000 kpa). Pompanın tipi ve pompalama hızının kontrolü kompaksiyon enjeksiyon yönteminin esasıdır. Pompalama hızı basınç miktarı ve basıncın yükselme hızı ile ilişkilidir ki bunlar; a) zemin tipi, b) sıkıştırma derecesi, c) su muhtevası, d) enjeksiyon derinliği, e) zemin ve yapıdan kaynaklanan çevre basınçlarına bağlıdır. Uygulamada; enjeksiyon alan zeminlerin 3-14 lt/dak. dan 3000 lt/dak. arasında geniş bir aralıkta değişebildiği görülmektedir. 6.3 JET ENJEKSİYONU Bu yöntemde yüksek basınç altında (700 kg/cm ye kadar) çok küçük deliklerden pompalanan enjeksiyon malzemesi zemini bıçak gibi keserek zemin içinde silindirik kolonlar oluşturmaktadır. Kazığa benzeyen bu kolonlar zeminin taşıma kapasitesini artırmakta ve sıkışabilirliğini azaltmaktadır. Birbirleri ile yan yana kesiştirildiğinde sızdırmazlık perdeleri oluşturulabilmektedir. Zemin, enjekte edilen malzeme ile karıştırılmakta bazı uygulamalarda ise karıştırılmayıp sondaj daimi devir sistemi ile tamamen veya kısmen dışarı çıkartılmaktadır. Enjeksiyonda; tekli, çiftli ve üçlü sistemler bulunabilmektedir. Tek bir boru hattından çimento ve su karışımından oluşan basınçlı enjeksiyon malzemesi verilebileceği gibi birbirinin içinden geçmeli üç borudan hava, su ve çimento karışımı ayrı ayrı ve değişik enjeksiyon basınçlarında verilebilmektedir. Su ve hava karışımları yüksek basınçlarda özellikle sert zemini gevşetmeye ve kazmaya yaramaktadır. Enjeksiyon basınçları ise aynı sistemin içinde daha düşük tutulmaktadır. Basınçlar arttıkça ve sistem çok borulu hava-su karışımlarına gittikçe zemin tipine göre jet enjeksiyonu kolon çapları da büyüyebilmektedir. Bazı Japon yöntemlerinde 3.5 m'ye kadar kolon çapların yapıldığı rapor edilmektedir. Şekil 6.4' de yöntem ile ilgili safhalar gösterilmektedir. 30
Şekil 8. Jet Enjeksiyonu Yapım Yöntemi Jet enjeksiyonu yöntemi, mevcut yapıların alttan desteklenmesi, tünellerin, açık kazılar, kanallar ve barajların geçirimsizliğini sağlamak üzere duvarlar yapılması, kazı ve şaftlarda destek sağlanması, yeni yapılar, dolgular ve istinad yapıları için temel zemin ıslahı ve heyelanların stabilizasyonu alanlarında kullanılmaktadır. 6.3.1 Jet Enjeksiyonunun Avantajları ve Dezavantajları Jet Enjeksiyonunun Avantajları: a) Jet enjeksiyonu; çakıl, kum ve killerin stabilizasyonu, temiz su ve çimento kullanılarak, daneler arasındaki boşluklara girme yöntemiyle yapılabilir. b) Geniş çaplı kolonlar (50-300 cm) küçük delme deliğinden (9 cm) başlanarak oluşturulabilir. c) Odun kazık engeli kolayca geçilebilir yada çimentolanmış zemine birleştirilebilir. d) Monitörün esnekliği müteahhide yapıların inşasında değişik şekillerde genel amaca bağlı kalarak uygulamada kolaylıklar sağlar. Bu, yöntemin yatay yönde ve her çeşit eğik dikdörtgende uygulanması mümkündür. e) Enjeksiyon malzemeleri çok basit "akışkan" dır. Minimum bir maliyet yüksek kullanım hacmine sahiptir. Sıvı harç geniş alana yayılmaz. Bu nedenle bu metot nispeten ekonomiktir. f) Bu metot uygulanırken titreşim ve gürültü oluşmaz. 31
Jet Enjeksiyonunun Dezavantajları: a) Metot hala gelişme safhasındadır. Ekipmanların maksimum kullanımıyla ilgili çıkan önemli problemlerin hala yaşanması dezavantajdır. Bazı tarihi yapıların desteklenmesindeki maliyetinin önceden belirlenmesinin çok zor olması metodun dezavantajıdır. b) Tasarı prosedürü daha önce edinilen tecrübelerden çıkarılan deneyimsel gözlemlere oturtulmuştur. Çünkü teknolojinin acemiliği ve teorisel çözümlemenin eksikliğinden dolayı tasarımın hala gidebildiği yer tasarımın metoduna kalmıştır. Elde edilebilen tasarım grafiği sadece zemin cinsini kaba dizi şeklinde gösterebilmektedir. 6.3.2 Jet Enjeksiyonu Yöntemindeki Ön Çalışmalar 1. Çalışma sahasının hazırlanması: İnşaat sahası ve yolları makine ve personelin verimli çalışarak planlanan günlük imalat miktarlarının yapılabilmesi ve imalat kalitesine ulaşılabilmesi için düzgün ve kuru tutulmalıdır. Delgi makinesi, paletli vinç, beton mikseri, beton pompası ve diğer ağır iş makinelerinin 10 cm'den fazla batmadan çalışmalarına imkân sağlayacak biçimde düzeltilip, sıkıştırılmalıdır. Dolgular delme işini zorlaştırmayacak uygun malzemelerle yapılmalıdır. Çalışma sahasında uygun yüzey drenaj sistemi tesis edilerek platformun kuru kalması sağlanacaktır. Foraj malzemesi ve yeraltı suyu sürekli olarak sahadan uzaklaştırılarak çalışma sahasının bozulması önlenmelidir. 2. Zemin bilgileri: Uygulama projeleri ve yapım yöntemleri elde edilen zemin raporlarına göre belirlenmelidir. 3. Çevre bilgileri: Yer altında ve üstündeki delmeyi (sondajı) zorlaştıran beton ve çelik engeller, altyapı kanalları resmi kuruluşlara yazılı tespit yaptırılarak kaldırılmalıdır. 4. Malzeme: Gerekli olan malzemeler, çimento, su zaman zaman ilave olarak bentonit, kum ve katkı malzemeleridir. Çimento; torbalar halinde, büyük miktardaki işlerde silodan alınarak ölçü nispetinde katılır. Önemli olan belirlenen ağırlıkta çimentonun teminidir. Enjeksiyon işlerinde PÇ 32.5 çimento kullanılabilir. Bentonit; bazı karışımlarda ilave olarak katılır ve çimento ağırlığına göre daha önceden belirlenen oranda sıvı olarak uygulanır. 12 saat önce su ile karıştırılan bentonit şişer, çamur haline gelir. Yoğunluğu ve viskozitesi ölçülerek katılacak konumda muhafaza edilir. Karışımdaki su miktarı azaltılarak yerine bentonit çamuru girmiş olur. Su; katkısız, asitsiz ve yeterli oranda bulundurulmalıdır. Kimyasal analizi yapılmış temiz su kullanılmalıdır. Katkı malzemeleri; çimento enjeksiyonunda su + çimento yeterlidir. 32